利用介电树脂和3D打印应对毫米波的挑战

Philip Lambert, Fortify, Boston, Mass.

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一些市场力量和技术趋势推动着无线通信和传感系统的发展，这些系统以前只用于卫星通信、回传和军事雷达使用的波段，包括最近发布和许可的5G和Wi-Fi 6GHz以上波段，无需许可的71GHz波段，以及用于新汽车短程雷达的77-81GHz波段。随着6GHz以下频谱日益拥挤，许多应用正寻求在更高的频谱运行以避免干扰。

在毫米波频率工作还有其他优势：许多射频电子器件的尺寸与波长成正比。毫米波器件和设备通常可以比低频器件和设备小得多（即更小的天线和其他射频硬件），包括毫米波5G gNodeB和天线阵列，以及毫米波传感设备，如成像系统和雷达。

然而，这是一把双刃剑，随着毫米波器件的尺寸缩小，趋肤效应和高射频损耗等使得对制造公差和精密材料的要求更加严格。尽管在毫米波频率上有大片可用频谱，但在这些频率上会遇到在较低频率上往往可以忽略的现象和制造挑战。

一些新兴技术在毫米波频率以下无法实现，如密集的有源天线阵列（AAS）。现在就是毫米波技术进入主流的黎明时刻，但同时伴随着设计和制造的挑战，需要考虑新的解决方案。

制造的挑战

导体是金属的，通常可以可靠地沉积、溅射、成型和电镀，以达到合理的公差。它们也很容易测量。然而，电介质通常是陶瓷、玻璃或聚合物，这带来了微秒的生产和制造挑战。

在毫米波频率下，导体最重要的电气特性一般体现在表面。这可能取决于导体的厚度和载流子的相对深度。导体可以电镀或以其他方式涂上金或其他贵金属，以提供更高的导电性和更共形的表面。

对于经常用于支撑、分隔或加载导电结构的电介质来说，表面和体特性是至关重要的，电场通常会穿透电介质材料。当电场穿过电介质时，一些能量被吸收（电介质损耗正切或其倒数、质量因子）并转化为热量。对于许多电介质来说，相对小的温度变化会影响整体的性能和尺寸稳定性。因此，需要在1kHz时低于10^-4、在毫米波频率时低于10^-3的极低损耗正切的电介质。¹

电介质性能和尺寸的一致性是至关重要的，因为即使是介电性能的微小变化或梯度也会改变通过它的电场的行为。电介质材料的空间分层或混合会导致通常难以确定的介电效应，这可能导致一个给定的介电结构的有效介电常数与组成它的各电介质的有效介电常数相差甚远。

图1 带有串联（左）和平行（右）电介质层的平行板电容器。

例如，在平行板电容器中，电介质层相对于电容板的方向决定了整个电介质的有效电容率。对于垂直堆叠的电介质层，有效介电常数基本上是相加的，而平行堆叠的电介质层（垂直于电场、电荷相等）导致有效介电常数是每层介电常数的倒数之和（图1）。对于更复杂的三维结构，这种计算变得越来越复杂，因此很难用有效电介质理论来分析确定。

用于毫米波的电介质必须以严格的精度加工、沉积、生长或分层。在确定哪些材料和制造工艺适用于特定的毫米波频率时，可达到的精确程度是一个限制性因素。

特异结构（metastructure）

一类新的电磁特异结构（如特异材料、特异表面、特异原子、特异薄膜和特异屏）可以以自然界中的传统电介质或共形体结构的方式表现出来。当电介质暴露在电场中时，偶极矩由嵌入散射体的电极化引起。² 通过对偶极矩进行体积平均，使其成为极化密度（P），加上电场（E），结果是电位移矢量（D）和介电常数（ε），如公式1所示：

虽然天然电介质材料的介电常数只有正值，但具有特殊性质或结构的人造材料却具有负折射率或负介电常数。这也是影响磁导率的磁特异结构的例子。

非传统的介电常数与频率有关，在特异结构的操作范围之外的频率以更传统的方式与之相互作用；但是，在其操作频率范围内，这些复合/工程材料极大地改变了结构的电性能。

例如，在一个电介质体内创建一个折射率梯度，可以产生物理上类似于光学透镜的行为，但对于电磁辐射的影响远低于可见光。梯度折射率（GRIN）结构可以被设计成复杂的光学结构，产生不同于传统透镜的辐射图，具有更复杂和微秒的行为。

其他毫米波特异结构也可以被制造出来，以实现振幅和相位操纵、近场相互作用，甚至非线性行为，这取决于所涉及的结构和材料。毫米波特异结构的一个主要优势是更多的自由度和更小的尺寸，这可以从周期、单元或分形特异结构的设计方法中产生。

对于二维和三维毫米波特异结构来说，制造过程的精度具有内在的重要性，因为它们要求的特征尺寸是一个波长的几分之一，公差是最小结构尺寸的百分之几；否则，它们的运行效率就会降低，甚至无法发挥预期的功能。这对电介质来说是一个特别的挑战，因为能够生产如此小尺寸又有严格公差的陶瓷和玻璃结构的制造工艺是有限的。^1-5 此外，为了实现其他性能目标，这些特异结构必须由具有极低介电损耗（低损耗正切）的材料构成，这排除了许多聚合物和其他材料。

复合材料可以通过增材制造方法生产并进行组装。然而，很少有增材制造工艺能够与复杂的电介质复合材料兼容，生产出具有几十微米高分辨率的相对较大的大约几厘米的电介质结构。⁶ 有一些有前途的新复合材料和制造方法，使用创新的制造方法来生产这种结构，可能在毫米波频率范围内很有用。⁷

集成挑战

为了从电介质特异结构中获益，它必须被设计成AAS的一个关键部分或作为一个增强的附加物。无论哪种方式，设计和制造通常必须是定制的。这是因为电介质特异结构的几乎每一个物理尺寸都必须为一个特定的功能而设计。与主要为保护雷达/通信天线而设计的天线罩不同，电介质特异结构是一个关键部件，旨在严格改变毫米波系统内或辐射/接收的电场行为。^8,9

在大多数情况下，电介质特异结构的集成需要对整个毫米波系统进行全面的电磁（EM）仿真和优化，以充分确定最终结构。这是由于设计集成和集成组件的制造对设备内及其天线结构的辐射和电场行为的影响。对于任何尺寸或复杂的毫米波结构来说，这种类型的仿真计算成本都很高，因为实现精确仿真结果所需的网格细化和分辨率相当复杂。电介质特异结构的优化可能需要大量的时间来进行迭代仿真细化。此外，还可能需要对电介质透镜天线的馈电系统的行为进行表征，或对组件外壳内的放置和固定公差进行表征。^10,11

使用传统的分层、铸造/模压或数控切削制造方法来制造与毫米波系统集成的电介质基体也可能产生大量的工具、模具开发费用。因此，用在设计优化和制造优化上的时间和资源之间要有一个权衡，这两者都有自己的费用、风险和未知因素。因此，最好有能够保持严格公差的灵活制造方法。最近开发的电介质材料和数字光处理（DLP）3D打印技术可以实现这一点。¹²

介电树脂和3D打印

增材制造（即3D打印）技术已经彻底改变了许多行业或创造了新的行业，并使材料的三维制造成为可能。这对射频电介质结构也是如此。然而，直到最近，在伪可扩展的增材制造工艺方面一直存在着差距，这些工艺可以用低损耗的射频材料制造出具有足够分辨率的结构，从而在毫米波频率下表现良好。

传统上，毫米波电介质的制造是通过分层片材、在模具中成型、挤压成线形或从散装电介质材料加工成形。有了增材制造，现在可以用三维多层制造电介质结构，具有更多的自由度和结构灵活性。然而，增材制造方法也有其需要注意的事项。

例如，在熔融长丝制造（FFF）中，热塑性塑料被强制通过一个狭窄的喷嘴，类似于挤压过程。喷嘴的直径、加热部件的结构、喷嘴移动的速度和热塑性塑料的行为决定了质量、可重复性和其他制造方面的因素。FFF的一个重要方面是，喷嘴的直径严重影响最终零件的分辨率，但直径也是决定零件沉积时间的关键因素（通常以毫米/秒计算）。对于毫米波级别的分辨率和表面光洁度、几何要求可能需要使用直径更小的喷嘴（0.1毫米）、精密加工或其他后处理。

使用液态槽光聚合方法，如立体光刻（SLA）和DLP，达到毫米波级别的分辨率就不那么具有挑战性。根据打印机的大小，有可能在一个构建板上处理几个零件，有可能获得更高的重复性和更精细的分辨率。使用DLP，通过使用投影仪来提高显影层的可重复性和分辨率，而不是使用SLA中的激光或FFF中的喷嘴，因为这些方法的图案化是在一个点的路径上进行的，所以有局限性。SLA或DLP方法的一个主要缺点是缺乏可用的光聚合物树脂，这些树脂要有理想的介电常数和低损耗正切组合，以及低吸湿性。

图2 球形电介质GRIN透镜模型（a）和使用罗杰斯公司Radix 2.8dk可打印聚合物电介质用Fortify Flux Core DLP 3D打印机制作的3D打印球形GRIN透镜（b）。

可以在介电特异材料透镜的制造中找到这些例子，例如毫米波Luneburg式GRIN透镜。GRIN透镜可以通过开关天线进行波束导向，可以增强相控阵天线或以其他方式作为电介质天线，用于各种用例。它可以通过在结构内设计气隙来有效地降低区域内的整体介电常数，使用立方体、Kelvin、八边形或陀螺形的单元几何形状。该设计必须确保结构既是机械稳定的，又能提供所需的有效介电常数范围，以产生所需体积内的介电透镜特性。在某些情况下，这可能导致特征尺寸小到几分之一毫米（毫米波操作所需），一些低有效介电率区域需要非常薄和高长宽比的连接结构。

Luneburg式GRIN镜头

一种基于DLP投影的制造方法，使用具有合适的介电常数和低损耗正切的光聚合物树脂，结合精致的结构设计，可以生产出Luneburg式GRIN电介质透镜，其工作频率为V甚至W波段。该透镜由陀螺形结构元件组成，在保持高结构完整性的同时实现了精细的介电梯度。通过对这些概念进行测试，Fortify和Rogers公司联合制作了一个GRIN电介质透镜，旨在提高指向其中心的定向天线的指向性和增益（图2）。

在这个例子中，一个同轴到波导（WR12）转接器被用来给球形GRIN透镜供电，该透镜是用罗杰斯感光树脂材料制作的，使用Fortify先进的3D打印技术，以确保满足公差要求，并实现先进的结构。

直径约24毫米的E波段透镜是以200微米的壁厚制作的（图2b）。该透镜在罗德与施瓦茨公司的天线测试室中使用标准方法进行测试，用泡沫垫圈固定，以测量视轴方向增益和任何角度的峰值增益以及效率与频率的关系。

3D打印的电介质透镜在60至85GHz时在视轴方向表现出20至22dBi的相对平稳的增益（图3a）。透镜天线的平均增益在整个波段内是相对稳定的。装置中的校准误差或峰值增益角度的轻微变化可能会加剧视轴方向的增益波动。

图3b中绘制的效率数据包括来自同轴电缆、公/母同轴转接器以及同轴到波导转接器的互连损失。测试装置的额外损耗不包括在内。如果包括这些损耗，预计透镜天线的效率会提高。此外，在较高的频率下，峰值增益略有上升的趋势，这可以归因于相对于频率的孔径尺寸的增加。

图3 3D打印的Luneburg式透镜的视轴方向测量增益（a）和完整的电介质透镜天线在任何角度的峰值增益以及效率与频率的关系（b）。

结论

以必要的精度和准确度制造复杂的三维电介质结构，以实现毫米波频率下的充分性能的能力历来是有限的。对先进的毫米波电介质的需求推动了最近在电磁特异结构设计和材料开发方面的进展。这些进展带来了一种可打印的光聚合物树脂和3D DLP打印技术，其性能使我们能够制造出高增益的V波段和W波段电介质透镜天线原型。

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